修改完成内燃机混合气的形成与燃烧.ppt
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1、第一节内燃机缸内的气流运动,概述: 涡流、挤流、滚流和湍流四种气流运动形式,被分别或组合应用于不同的燃烧系统。 汽油机:1)加速火焰传播 2)降低循环变动 3)适应稀燃或层燃 柴油机:加速混合与燃烧,一、涡流 进气涡流和压缩涡流,缸内的涡流运动是柴油机混合气形成的主要手段。近年来,汽油机为实现稀薄燃烧也开始应用涡流。 涡流转速与发动机转速之比称为涡流比,作为衡量涡流强度的指标 进气涡流在进气过程中形成的绕气缸轴线旋转的有组织的气流运动,称为进气涡流,进气道气门出口速度分布,螺旋气道,切向气道,(三)气道的评定方法,流量系数 涡流比 Ricardo方法,Ricardo量纲 Ricardo涡流比,
2、各种涡流比,导气屏设置在进气门上,可调节涡流强度,涡流比0 4 切向气道形状简单,涡流比1 2 螺旋气道的形状最复杂,涡流比24,同样涡流比时的进气阻力小于切向气道,适用于对进气涡流强度要求较高的发动机,涡流比进入凹坑时增大,涡流比随曲轴转角的变化,二、挤流,挤流是在压缩过程中,当活塞接近上止点时,活塞表面的某一部分和缸盖接近时产生的径向或横向气流运动。 压缩涡流(涡流燃烧室柴油机),三、湍流,在气缸中形成的无规则的小尺度气流运动称为湍流,也称微涡流。 湍流可以促进燃油和空气的微混合程度,加速燃烧过程。,四、滚流,在进气过程中形成的绕垂直于气缸轴线的有组织的空气旋流称为滚流(tremble),
3、也称为纵涡或横轴涡流。,直喷式燃烧室柴油机燃烧过程中发生的 现象。 (P86),五、热力混合,第二节、点燃式内燃机的燃烧,一、点火过程与滞燃期,1、火花点火 击穿阶段 电弧阶段 辉光放电阶段,2、滞燃期,三种定义 1)缸内压力脱离压缩线 2)火焰传播到某定义半径 3)燃料燃烧10%,二、正常燃烧过程,(一)定容燃烧弹模型简介 均匀混合,燃烧开始密度不等,速率不等(越来越大) 温度不等,火花塞处最高(受压缩) 压缩-膨胀作用加速末端先期反应。,预混合燃烧与扩散燃烧,预混合燃烧和扩散燃烧是内燃机最基本的两种燃烧方式。 导致汽油机和柴油机不同: 1)燃烧特性、 2)排放污染物生成及控制机理、 3)动
4、力经济性 4)噪声振动,预混合燃烧与扩散燃烧的区别,1) 预混合燃烧时,燃烧前已均匀混合,燃烧速度主要取决于化学反应速度,即取决于温度和过量空气系数(浓度);扩散燃烧时,由于燃料与空气边混合边燃烧,因而燃烧速度取决于混合速度。 2) 扩散燃烧时,要求过量空气系数 12,并且在总体68(相当于空燃比大于100)的条件下也能稳定燃烧(稀燃);而预混合燃烧时, 0812,可燃混合气浓度范围小,难以稀燃。 3) 扩散燃烧时,混合气浓度和燃烧温度分布极不均匀,易产生局部高温缺氧现象,形成炭烟;而预混合燃烧时,由于混合均匀,一般不产生炭烟。,4) 扩散燃烧时,由于有炭烟产生,碳粒的燃烧会发出黄或白色的强烈
5、辐射光,因此称“有焰燃烧”;而预混合燃烧时,无碳粒燃烧问题,火焰呈均匀透明的蓝色,因此也称“无焰燃烧”。 5) 预混合燃烧由于燃前已形成可燃混合气,有回火的危险;而扩散燃烧一般无此危险,(二)点燃式内燃机的燃烧,正常燃烧过程,(1)滞燃期-(图中12段) 从火花塞点火(点1)至气缸压力明显脱离压缩线而急剧上升时(点2)的时间或曲轴转角 (2)急燃期-明显燃烧期(图中23段)从形成火焰中心到火焰传遍整个燃烧室,压力达到最高点。,(3)后燃期(图中3点以后) ,指明显燃烧期以后的燃烧,主要有火焰前锋后未及燃烧的燃料再燃烧。 汽油机正常燃烧过程是唯一地由定时火花点火开始,且火焰前锋以一定的正常速度传
6、遍整个燃烧室。,(三)燃烧过程按已燃质量分量划分,火焰发展期 快速燃烧期 总燃烧期,(四)燃烧速率,燃烧速率是指单位时间燃烧的混合气量,紊流运动与火焰速度,(五)、着火界限或可燃范围,汽油:过量空气系数 0.51.30,六、利用示功图获取燃烧特征参数,最高压力及其时刻 压力升高率 滞燃期 放热率曲线,(七)不同工况下燃烧过程热点,1、点火提前角,2、混合气浓度,功率混合比:a=085-095,火焰速度最大。 经济混合比: a=103-11,火焰速度降低不多,又有足够的氧气而使燃烧完全。,3、负荷不同时的燃烧过程,负荷减小,点火提早。 4、转速不同时的燃烧过程 转速增加,点火提前角增大,点火提前
7、角MAP,负荷减小,点火提早;转速增加,点火提早,但高转速、高负荷有所回落,并呈现比较复杂的变化,点火提前角控制策略,1、开环控制 根据MAP确定点火提前角基本量 ECT(冷却水温)校正 怠速校正 空燃比校正 燃油品质校正,点火提前角计算流程,点火提前角其他控制,1)低速重复点火,确保怠速稳定。 2)起动时推迟0.5秒(或若干循环),确保机油压力建立 3)点火切断,防点火线圈过热 4)固定点火提前角方式 5)点火闭合角控制,点火提前角控制策略,2、闭环控制,(八)各循环间的燃烧变动,1、定义: 汽油机稳定工况运行时,这一循环和下一循环燃烧过程不断变化,具体表现是压力曲线,火焰传播和功率输出不同
8、。,2、燃烧循环变动的表征参数 1)气缸压力参数,最高气缸压力、相应于气缸最高压力的曲轴转角、最大压力升高比、相应于最大压力升高比的曲轴转角、 2)发动机输出功率的变化可用平均指示压力的变化表示。 3)与燃烧速率有关的参数,如最大燃烧速率、火焰发展角、快速燃烧角 4)与火焰前锋位置相应的参数,如火焰半径、火焰前锋面积、已燃和未燃的容积随时间的变化曲线、火焰到达某一指定位置所需要的时间。,3、燃烧循环变动的原因 1)燃烧过程中气缸内气体运动状况的循环变动 2)每循环气缸内的混合气成分(特别是在点火瞬间火花塞附近),由于空气、燃料、 EGR和残余废气之间混合情况的变动而造成。,4) 降低燃烧循环变
9、动的措施 1)多点点火。 2)组织进气涡流能增加燃烧速率。 3)提高发动机转速,形成更强烈的湍流。 4)采用化学计量空燃比,火焰温度和传播速度比较高,因此压力变动最小。 5)采用燃油电控喷射技术(特别是多点燃油喷射)可改善循环之间的混合气浓度不均性。 6)采用速燃技术 7)加大点火能量,三、点燃式发动机的不正常燃烧,爆燃的现象缸内压力曲线出现高频大幅度波动(锯齿波),同时发动机会产生一种高频金属敲击声,因此也称爆燃为敲缸,(一)爆燃的外部特征,1)发出频率为30007000HZ的金属振音; 2)轻微爆燃时,发动机功率略有增加,强 烈爆燃时,发动机功率下降,转速下降 工作不稳定,机身有较大振动;
10、 3)冷却系统过热,气缸盖温度、冷却水温度和润滑油温度均明显上升; 4)爆燃严重时,汽油机甚至冒黑烟,(二)爆燃的机理(原因),在正常火焰传播的过程中,处在最后燃烧位置上的那部分未燃混合气,(常称末端混合气)i进一步受到压缩和辐射热的作用,加速了先期反应。如果在火焰前锋岗来到达之前,末端混合气已经自燃,则这部分混合气燃烧速度极快,火焰速度可达每秒百米甚而数百米以上,使局部压力、温度很高,并伴随有冲击波。,(三)爆燃的危害,1)热负荷及散热损失增加 。 2)机械负荷增大。 3)动力性和经济性恶化 。 4)磨损加剧 5)排气异常,(四)爆燃的影响因素,分析: 如果由火核形成至火焰前锋传播到末端混合
11、气为止所需时间为t1,由火核形成至末端混合气自燃着火所需时间为t2,由于爆燃是在火焰前锋尚末到达时末端混合气发生自燃引起的,因而不发生爆燃的充分必要条件是: t1 t2 。凡是使t1减少和t2增加的因素均可抑制爆燃倾向,反之,均使爆燃倾向增加。 三类因素: 燃烧室结构参数、运转参数、燃料特性,(五)燃料特性与爆震,汽油 辛烷值测定方法:马达法与研究法 抗爆指数 添加剂与无铅汽油,(六)防止爆燃的措施,推迟点火 缩短火焰传播距离 冷却终端混合气 增强紊流 燃烧室扫气,爆燃控制 点火提前角闭环控制,1)ECU检测到爆燃信号 2)推迟点火5-10CA 3)每隔若干循环将点火提前1CA 4)恢复到原点
12、火提前角 以上过程称为快校正。,(五)表面点火及其防止措施,在汽油机中,不是靠电火花点燃,而是由燃烧室内炽热表面点燃引起的着火称为表面点火。 发生在火花塞点火之前的表面点火也称早火(早燃),表面点火及其防止措施,1)防止燃烧室温度过高,这包括与降低爆震同样的方法,如降低压缩比和减小点火提前角等。 2)合理设计燃烧室形状,使排气门和火花塞等处得到合理冷却,避免尖角和突出部。 3)选用低沸点汽油,以减少重馏分形成积炭。 4)控制润滑油消耗率,润滑油容易在燃烧室内形成积炭, 5)有些汽油和润滑油添加剂有消除或防止积炭作用。 6)提高燃料中抗表火性好的成分,如异辛烷等。,续走 部分燃烧 失火,第三节点
13、燃式内燃机燃烧室,一、点燃式内燃机燃烧室 (一)燃烧室设计的一般要求 (1)动力、经济性好 (2)等容度高 (3)排放地低 (4)避免爆燃、表面点火等 (5)循环变动小 (6)工作柔和 (7)满足速燃和稀燃 (8)起动性好 (9)瞬态性能好 (10)EGR承受能力强,汽油机燃烧室的形状,汽油机燃烧室的形状,(二)汽油机燃烧室的设计要点,1、压缩比 2、燃烧室结构紧凑 1)一般以面容比AV(燃烧室表面积与燃烧室容积之比)来表征燃烧室的紧凑性。AV 越小,火焰传播距离越短,越不易发生爆燃。 2)AV小,燃烧持续期越短,等容度提高,散热损失小,这就使得循环热效率提高。 3)AV越小,壁面淬熄效应减小
14、,HC排放降低。,汽油机燃烧室AV 与HC排放,3、燃烧室几何形状合理,合理的几何形状,有助于得到适宜的火焰传播速率和放热速率 合理的几何形状还包括,燃烧室廓线尽可能圆滑,以避免凸出部产生局部热点,4、火花塞布置合理,1)火花塞至末端混合气距离最短,使得在相同压缩比时爆燃可能性最小。 2)火花塞应靠近排气门布置,以避免末端混合气处温度过高而易出现爆燃。 3)保证火花塞周围有足够的扫气气流,以充分清扫火花塞间隙处的残余废气,保证点火成功,,火花塞布置与辛烷值,5、组织合理的气流运动,强度适当的涡流特别是湍流可以使油气混合进一步均匀. 湍流可以提高燃烧速度,降低循环波动率,扩大混合气的稀燃界限,减
15、小壁面淬熄层厚度使HC排放降低。 过强的气流运动会使散热损失增加,阻力加大,着火困难。 进气涡流和挤流,(三)典型燃烧室及其性能对比,1、浴盆形燃烧室 浴盆形燃烧室的FV较大,火焰传播距离较长,因而压缩比一般不超过75,动力性和经济性不高,HC排放多。 但工作柔和,NO排放低。 由于其制造工艺好,因而在国产车上曾广泛应用,,2、楔形燃烧室 火花塞在楔形高侧的进排气门之间,可在火花塞附近形成较强的扫气气流,低速及低负荷性能稳定。 气门倾斜布置,流通截面较大,气道转弯较小,充气特性好。 初期放热率高。动力经济性较好,但燃烧粗暴,NO排放高,由于挤气面积较大,所以HC排放较高,3、半球形燃烧室 FV
16、要小于浴盆形和楔形燃烧室,基本不组织挤流。 由于形状规则,燃烧室可全部机械加工,保证光滑的表面(以减少积炭形成)和精确的形状及容积。 其燃烧放热速率及NO排放均较高,但HC排放较低。,4、多球(篷形)形燃烧室 其形状如帐篷状,便于四气门布置,火花塞可以布置在燃烧室中央,也称屋脊形燃烧室。 虽与半球形燃烧室形状相似,但半球形燃烧室为双气门(一进一排),火花塞仍须偏置,因而两者性能相差很大。 多球形燃烧室FV最小,火焰传播距离最短,由于四气门倾斜布置,进排气口截面积最大,充气系数高,一般不组织挤流,但可充分利用双进气道形成所需的进气涡流。 先进的轿车和轻型车汽油机均采用四气门结构,因而多球形燃烧室
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